中子屏蔽虛擬仿真實驗系統的設計與開發

關興彩，趙江濤，彭海波

(蘭州大學 核科學與技術學院，甘肅 蘭州 730000)

核學科是蘭州大學的特色學科，核工程屬于工學學科，對學生的實習實訓要求很高。中子源輻射場的屏蔽防護是核工程類專業學生在未來工作中可能面臨的一個實際問題。因此，開展中子屏蔽實驗對于核工程類專業學生的培養至關重要。然而，中子屏蔽實驗在目前的教學條件下很難真實開展，原因是建立真實的中子源輻射場需要昂貴設備、特殊場地和專業人員等[1-3]，同時放射性管理也會帶來一系列苛刻要求；另一方面，由于安全需求，實驗教學用中子源輻射場不能太強，導致實驗時間長，操作難度大，實驗結果不理想，難以達到預期的實驗教學效果。虛擬仿真實驗可以很好地解決因現實教學條件不滿足而無法開設實體實驗的難題，為提升實驗教學質量和扎實培養學生提供了一種有效途徑[4-6]。

MCNP(Monte Carlo n-particle transport code)程序是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)的蒙特卡羅(Monte Carlo,MC)小組開發并維護的一套通用計算機程序[7]。MCNP程序基于MC方法，利用FORTRAN語言編寫程序，可以模擬中子與物質的相互作用過程，并對中子在物質中輸運問題進行模擬計算。LabVIEW(Laboratory Visual Instrument Engineering Workbench)是一種常用的圖形化編程語言，用戶可以通過LabVIEW編譯的程序輕松地實現數據采集、分析以及結果輸出等功能，同時可以使用程序框圖直觀地表示復雜邏輯，開發數據分析算法以及設計自定義用戶界面[8]。

因此，基于LabVIEW和MCNP，設計開發了中子屏蔽虛擬仿真實驗系統。系統采用LabVIEW設計友好的人機交互界面，通過MCNP程序模擬計算中子在物質中的輸運過程，實現了不同種類、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料組合對常用中子源輻射場屏蔽效果的模擬仿真以及實驗結果的可視化輸出。

1 設計理念與思想

根據《教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》(教高函〔2017〕4號)和《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》(教高函〔2018〕5號)的精神，結合蘭州大學核學科特色和核工程類專業人才培養方案，從以學習者為中心的角度出發，以提高學生的實驗探究能力和主動學習能力為目標，設計開發中子屏蔽虛擬仿真實驗系統。設計思路如圖1所示。

圖1 中子屏蔽虛擬仿真實驗系統的設計思路

2 系統設計與開發

設計開發的中子屏蔽虛擬仿真實驗系統的開始界面如圖2所示。點擊開始界面右下角的“點擊進入實驗”即可進入主界面，開始實驗。

虛擬仿真實驗系統的主界面布局圖如圖3所示，分為功能區(圖中左半邊區域)和顯示區(圖中右半邊區域)。顯示區可以顯示中子慢化/屏蔽材料的介紹和屏蔽前后中子源輻射場的中子能譜，從而實現實驗結果的可視化輸出。

圖2 中子屏蔽虛擬仿真實驗系統的開始界面

圖3 中子屏蔽虛擬仿真實驗系統的主界面布局圖

功能區最下面的區域給出的是虛擬仿真實驗系統的計算模型示意圖。其中，中子源為平行面源，垂直入射到材料1的前表面。系統配備了三種典型的中子源，即241Am-9Be中子源(同位素中子源)、反應堆中子源和D-T中子源(加速器中子源)，同時給出了這些中子源的介紹。實驗時，可以通過界面上的按鈕自由選擇中子源并了解其基本信息。

中子屏蔽/慢化材料的選擇設置界面如圖4所示。對于材料1和材料2，系統配備了重水、氧化鈹、碳化硼、鐵、鉛和混凝土等6種常用的中子屏蔽/慢化材料。材料1選定后，界面右半邊的顯示區就會出現所選材料的介紹，以便了解材料的特點及其中子屏蔽/慢化性能。材料1和材料2選定后，它們的厚度可以在0～20 cm的數值范圍內自由設置。待材料1和材料2及其厚度確定之后，點擊“Simulation”按鈕即可進行中子源輻射場屏蔽效果的模擬仿真。通過改變材料1和材料2的種類、厚度及其組合形式，可以方便地開展不同種類、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料組合對所選中子源輻射場屏蔽效果的虛擬仿真實驗。需要說明的是，只有點擊“Simulation”按鈕，系統才能將輸入參數調入并進行仿真，其他時候輸入參數可以隨意改動，并不會直接開始仿真，但會有回顯，保證了系統的容錯性。

模擬仿真結束后，點擊“顯示能譜”按鈕，界面的顯示區即可顯示屏蔽前后中子源輻射場的中子能譜，以便查看屏蔽效果、分析實驗結果、改進實驗方案。同時，也可以根據自己定義的文件名(在“文件保存”中定義，后綴為.dat)查看原始的輸出實驗數據，以便進一步系統地分析實驗結果。

圖4 中子屏蔽/慢化材料的選擇設置界面

3 系統運行示例

實驗時，依次進行如下實驗操作：①中子源選擇為D-T中子源；②材料1選擇重水，材料2選擇碳化硼；③設置材料1和材料2的厚度分別為9 cm和3 cm；④定義保存實驗結果的文件名為“Ass”；⑤點擊“Simulation”按鈕，等待模擬仿真的結束；⑥點擊“顯示能譜”按鈕。以上操作完成后，得到的結果如圖5所示。

圖5 中子屏蔽虛擬仿真實驗系統運行示例

4 結 語

設計開發了基于LabVIEW和MCNP的中子屏蔽虛擬仿真實驗系統，實現了不同種類、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料組合對常用中子源輻射場屏蔽效果的模擬仿真以及實驗結果的可視化輸出，解決了因現實教學條件不滿足而無法開設中子屏蔽實驗的難題。設計開發的中子屏蔽虛擬仿真實驗系統為學生自由開展實驗和自主進行學習創造了良好條件，有助于激發學生的學習興趣，培養學生的自主創新能力和實驗探究能力，提高實驗教學質量，全面提升蘭州大學核工程類專業人才培養質量。

目前的虛擬仿真實驗系統還存在一些不足之處，如配備的中子源和材料的種類少、界面的藝術視覺感不強等，以后將持續努力加以完善。此外，還將設計和開發光子和重離子與材料相互作用的虛擬仿真實驗系統，建設功能更加強大的輻射防護虛擬仿真實驗教學平臺。